纸浆模塑真空吸滤成形机理研究

1 纸浆模塑真空吸滤成形机理研究 摘 要 在纸浆模塑制品的自动生产过程中 真空吸滤成形是十分关键的工序 如何控制和 提高吸滤成形的效率 并对吸滤成形工艺进行较精确的控制 会直接影响到产品的几何尺寸 表面光滑度 机械强度等主要产品质量指标 本文对纸浆物料的真空吸滤成形过程进行了 理论分析 建立了相对应的真空吸滤模型 探讨了影响真空吸滤效率的因素 提出了型坯空 隙率修正系数 并根据模型通过计算和推导 得出对于某一特定的浆料的真空吸滤过程中纸 坯厚度 过滤时间及压力差之间的关系式 应用该式得到的计算结果与实测值基本相符 同时对主要工艺条件之间的规律进行了定量定性分析 分析结论对降低能耗 提高生产率 具有实用价值 关键词关键词 纸浆模塑 真空吸滤 成形 Shaping principle of vacuum filtering of pulp molding Abstract In the automatic production course of the molding product of paper pulp vacuum filtering shape process is very crucial process It can directly affect the geometry size surface smooth finish mechanical strength and other major quality index of product how to control and raise the efficiency of filtering shape and to control accurately shape process In this paper vacuum filtering process is analyzed in theory and vacuum filtering model is established The factors of influence on vacuum filtration efficiency have been discussed and the filter gap rate correction coefficient has been raised Then according to model by deduction and calculation the relation between pulp thickness filtering time and pressure difference for a certain pulp material of filtration process is expressed in equation and the results calculated from the equation conform to actual measurement results At the same tim e the ration qualitative analysis has been carried out for the law between major process condition And then the useful conclusion is reached which has some significance for raising the productivity and reducing the energy consumption Key words pulpmold vacuum filtering shaping 1真空吸滤成形原理 真空吸滤成形在纸浆模塑过程中是十分重要的工艺环节 真空吸滤以滤网及 多孔的吸滤模具作为过滤介质 在模具的一侧造成一定的真空 在压差作用下 悬浮液中的流体通过过滤介质 固体颗粒纤维则为介质所截留 从而实现固液 分离 通过介质的液体称为滤液 被截留的物质称为型坯 或滤饼 实现真 空吸滤需要在吸滤模具两侧保持一定的压力差 P 过滤推动力 其压差一般为 0 04 0 08 Mpa 真空吸滤的特点是能在 2 相对简单的机械条件下连续操作 纸浆模塑制品的真空吸滤成形过程为型坯过滤方式 吸滤时对吸滤模具的内 腔抽真空 在滤网和吸滤模具 过滤介质 的两侧产生一定的压力差 使纸浆 料中的滤液通过过滤介质的孔道排除 直径大于或近似于过滤介质孔隙的固体 纤维先以架桥方式在介质表面形成初始层 其孔隙通道比过滤介质孔隙更小 因此能留住更小的颗粒 其后沉积的固体颗粒 便逐渐在滤网表面上的初始层上形成一定厚度的型坯 从而实现固液分离 型 坯的过滤阻力远较过滤介质阻力为大 因而对过滤速率起决定性的影响 纸浆 模塑制品的真空吸滤成形过程一般可分为两个阶段 1 成坯 型坯形成 阶 段 2 脱水阶段 成坯阶段是严格意义上的过滤阶段 在此过程中 固体浆料借助真空与重 力联合作用而吸附在过滤介质表面 逐渐形成一定厚度的型坯 随着型坯的逐 渐增厚 相应的过滤阻力也逐渐增大 直至形成一定厚度的型坯 因此这一阶 段的过滤速度 单位时间内 单位面积的过滤介质所通过的过滤体积 呈逐渐 下降趋势 型坯形成后 模具即脱离给料浆槽进入脱水阶段 在该阶段内 型坯的相 对饱和度 即型坯水分所占体积与型坯空隙总体积之比 要从开始时的100 降 低10 20 在真空抽吸作用下 水分所占据的大部分空隙被空气所取代 被 排除的水分基本上是重力水及空隙水 因为真空抽吸还不足以排除纸纤维表面 水和毛细水 2 2真空吸滤数学模型的建立 2 1 滤液的流动 纸浆滤液通过型坯和模具的流动与在普通管道内的流动相仿 由被截留的纸 浆纤维垒积而成的型坯层中的滤液通道为不规则的网状孔隙 滤液从中流过 可将该固定层简化为一个截面形状复杂多变 而孔隙截面积维持恒定的流通管道 设单位体积层中的孔隙体积为空隙率 表示 即有 型坯中孔隙体积 型坯床层体积 m3 设单位体积纸浆纤维所具有的表面积为比表面积 以a 表示 即 a 纤维表面积 纤维体积 m3 可进一步将纸浆型坯中的不规则通道简化成长度为L 的一组平行细管 管的 3 当量直径可由型坯层的空隙率 和纸浆纤维的比表面积a 来计算 通常 滤 液通过型坯的流动属于滞流流型 根据当量毛细圆管内滞流流动的泊谡叶公式 可得吸滤过程中滤液通过型坯层的流速 即过滤速度 式中Z 为比例常数 与型坯 纸浆纤维及流动特性有关 可由实验确定 由于在吸滤过程中 型坯厚度不断增加而使过滤速率逐渐变小 则任一时刻的 过滤速度为 而单位时间在整个过滤面积上获得的滤液体积称为过滤速率 式中 V 滤液量 m3 A 过滤面积m2 t 过滤时间s L 滤层厚度m Pc 型坯两侧的压力差Pa 滤液粘度 Pa s 2 2 型坯的阻力 若将纸浆型坯看成为不可压缩型坯 则纸浆种类一定 空隙率可视为常数 而纸浆纤维的形状及尺寸也不变化 因而a亦为常数 令式 2 和 3 中 为滤层的渗透性系数 它反映了纸浆纤维的特性 其值随纸浆纤维种类不同 而不同 其 中比例系数Z为无因次经验系数 与型坯的空隙率 纤维形状 纤维尺寸及排列 分布有关 对颗粒滤层内的滞流流动 一般取Z 5 设 1 M 称为型坯的 比阻 则有 则式 2 可写成 4 式中R 型坯的阻力1 m R L 式 5 说明当型坯视为不可压缩时 任一瞬间单位面积上的过滤速度与型坯 上 下游两侧的压力差成正比 与当时的型坯厚度成反比 亦与滤液粘度成反比 比阻 为单位厚度型坯的阻力 它在数值上等于粘度为1Pa s 的滤液以1m s 的平均流速通过厚度为1 m 的型坯层时所产生的压力降 反映了纸浆纤维形状 尺寸及型坯层孔隙率 对滤液流动的影响 越小则型坯越致密 对滤液流动 的阻滞作用越大 2 3建立吸滤方程式 若每获得1m3 滤液所形成的型坯体积为n m3 则在任一瞬间型坯厚度L与当时已 经获得的滤液体积V之间的关系应为 LALA nV nV 则则 L L nV A nV A 6 6 式中 n 型坯体积与相应的滤液体积之比 在型坯过滤中 过滤介质 模具与滤网 的阻力大小与其结构和厚度有关 一 般远比型坯阻力小 可把过滤介质的阻力视为常数 仿照式 5 可写出滤液通 过过滤介质层的速度表达式 dV Adt Pm Rm 7 式中 Pm 过滤介质两侧的压力差 Pa Rm 过滤介质阻力1 m 通常 型坯与模具滤网的面积相同 则过滤速度 式中 P Pc Pm 代表型坯与过滤介质两侧的总压力降 为方便起见 设 想以一层厚度为Le 的型坯来代替过滤介质 而过程仍能按照原来的速率进行 则该假想层的型坯应该具有与过滤介质相同的阻力 即 rLe Rm 于是 式 8 可 写成 式中Le 过滤介质的当量型坯厚度m 按照式 6 若形成厚度为Le 的型坯所应获得的滤液体积为Ve 则 Le nVe A 式中Ve 过滤介质的当量滤液体积m3 于是 式 9 可写成 5 如果考虑到型坯的压缩性 公式 10 可近似写成 式中s 型坯的压缩性指数 s 0 1 2 对于不可压缩型坯s 0 纸浆模塑成形机中的成形吸滤过程可近似为恒压过滤 即过滤压力差不变 过 程 恒压过滤时 随着型坯的不断变厚 过滤阻力也逐渐增加 由于推动力 P 基本恒定 因而过滤速率逐渐变小 对于一定浓度的浆液 可近似为常 数 令k k 1 1 12 12 将式 11 代入式 10 得dV dtdV dt 1313 式中的 P k A s Ve 均为常数 假定获得与过滤介质相对应的虚拟滤液 体积Ve 所需的过滤时间为te 则积分的边界条件为 过滤时间 0 te te t te 滤液体积 0 Ve Ve V Ve 求解式 13 在求解中 令 则得 式中k 过滤常数m2 s 由物料特性及过滤压力差所决定 te qe 介质常数 s m3 m2 是反映过滤介质阻力大小的常数 式 15 即为恒压条件下的过滤方程式 由式 14 15 可得 当过滤介质阻力可以忽略时qe 0 te 0 式 13 可简化为 3纸浆模塑成形机的吸滤过程 3 1吸滤模具 过滤介质 吸滤模具采用铝合金 开孔率为50 60 在保证一定刚度的条件下 增 大开孔率可以增加排液面积 从而减少吸滤时间 吸滤模上分布着许多孔径为 2mm 的小孔 用于抽真空和脱水 为确保产品厚度均匀 盒底部的小孔要 6 密 成队列分布 行间距 列间距均为4 mm 盒盖部分的小孔分布较疏 行 列间距均为6 mm 为防止孔堵塞 吸滤模上附有一张金属网 其材料可为磷青 铜或不锈钢 孔目为60 左右 用压圈将其固定在吸滤模上 在过滤中 过滤 介质 模具与滤网 的阻力大小与其结构有关 但是远比型坯阻力小 而且过 滤介质结构对型坯的空隙率的大小基本无影响 3 2吸滤成形过程 吸滤成形装置主要由吸滤模部件和吸浆槽组成 见图1 当吸滤模具浸入浆液 液面以下时 模具接通真空系统 在压力差的作用下 浆液流向模具表面 纸 纤维因模具及滤网的阻挡作用而被截留 形成型坯层 均匀地附着在吸滤模的 滤网上 滤液经过小孔被真空系统抽除 经一定时间的过滤 在模具表面均匀 地附着一定厚度的纸坯 之后 模具与浆液脱 离 但模具内仍接通真空系统 水分在真空抽吸作用下进一步被排出 此阶段 为型坯脱水阶段 经此阶段后的湿纸坯含水率视其纸浆种类而不同 为70 78 随后 纸坯转移到压工位进一步压滤脱水冷 3 3影响吸滤的因素及修正系数 3 3 1纸浆纤维压缩性及疏解度 前述的型坯空隙率 和比阻均假设为常数 即按不可压缩型坯考虑 实际 上对纸浆纤维来说 型坯要受到浆液静压力和纤维之间相互挤压力的作用 浆液 的流体压力对纤维作用各向相等 但纤维之间的固体压缩力发生在与滤液流动 平行的方向上 因此 纸浆纤维将受到挤压而产生变形 而这种挤压产生的变 形是型坯压缩的根源 在滤液流动方向上 浆液静压力由型坯表面处的最大值 7 衰减至过滤介质表面附近的最小值 而纤维之间的固体压缩力则从型坯表面的 零值渐增至过滤介质附近的最大值 受此影响 型坯的空隙率 自表面沿型坯厚 度方向逐渐变小 比阻 则沿型坯深度方向逐渐增大 因此型坯的比阻和空隙率 在吸滤过程中都不是常量 与型坯内的空间位置有关 型坯的空隙率是沿滤液流 动方向减少的 不同疏解度的纸浆纤维受压缩力影响的程度是不同的 疏解度越高 纸浆纤维 越细小 纤维间孔隙越小 型坯的渗透性越低 而且实验表明 纤维越细小 其固 体压缩力的影响就越大 由于纤维尺寸及压缩力的影响 型坯中的孔隙并非都 是可供流体流动的贯通孔隙 其中相当一部分是盲孔隙 或是被气泡阻断的孔 隙 纸浆纤维越细小 疏解度高 孔隙被堵 塞的几率越大 吸滤效率就越低 同时 越细小纤维的表面水化膜相对厚度越大 与纤维的结合越牢固 由于水化膜的流动性很差 它占据了孔隙部分空间 也使型 坯的孔隙率减少 但是从保证纸浆模塑产品壁厚均匀和致密性考虑 所用纸浆纤维不能太粗大 必须保证一定的疏解度 生产实验表明 生产中纸浆的疏解度应在28 30 3 3 2纸浆粘度 浆液粘度越高 其流动性越差 过滤速率与液体粘度成反比 另外 浆液粘度越 大 纸浆的纤维越细小 纤维表面的水化膜越厚 结合越牢固 由于纸浆餐饮器具 的应用特点 其所用的浆液中必须添加防水 防油剂 这些都增加了浆液的粘度 而且越细小的纤维 疏解度越高 添加的剂量越大 对粘度的影响越大 3 3 3纸浆浓度 实验表明 浆液浓度对过滤阻力有影响 浆液浓度越低 细小纤维对型坯空 隙的充填作用越充分 型坯阻力越高 当浆液浓度低于5 时 要考虑对空隙率的 修正 考虑到纸浆模塑成形与单纯的过滤工艺不同 除了要考虑过滤效率外 还 要考虑产品壁厚的均匀性 因此所用的纸浆浆液浓度较低 一般为1 2 实验 中取浆液浓度为1 低于正常过滤工艺所用的浓度 由于以上的因素影响 使得型坯的实际孔空隙率在吸滤过程中均要减少 比 阻增大 根据所用浆液种类的不同 下降 或 增加 的幅度不同 因此对可压 缩纸浆型坯的空隙率 应进行修正 c 0 式中c 为纸浆型坯的空隙率修正系 8 数 c 0 7 0 9 4真空吸滤计算及相关结论 4 1真空吸滤速率计算 运用建立的吸滤方程 通过计算来考察吸滤成形工序 当吸滤后的厚度为L 孔隙率为某 一定值的纸浆湿坯时 吸滤压力差 P对吸滤时间t的影响 采用两种纸浆纤维进行实验 实验条件为 浆液中纸浆浓度为1 0 质量分 率 浆液中固相密度为1 5 103 kg m3液相密度为1 0 103kg m3 含有防水 防油剂的浆液在20 时的粘度约为2 0 10 3Pa s 纸浆物料 物料1采用苇浆加 少量木浆 纸浆的疏解度约为30 其纤维平均等效直径2r 0 08mm 高h 3mm 的细圆柱 吸滤后型坯的平均含水率取72 质量分率 物料2为短纤维草浆 纸浆 的疏解度较高 约为42 纤维等效直径2r 0 05mm 高h 0 8mm的细圆柱 吸滤后 型坯的平均含水率取77 质量分率 纸纤维的比表面分别如下 物料1 a1 2 r1 r1 h1 r12h1 2 4 10 5 3 10 3 4 10 5 3 10 3 5 07 104 18 18 物料2 a a2 2 r2 r2 h2 r22h2 2 2 5 10 5 0 8 10 3 2 5 10 5 0 8 10 3 8 25 104 19 19 根据两种型坯工艺要求达到的平均含水率 可计算出其理论空隙率分别为 01 79 4 02 83 4 浆液1为中长纸浆纤维 其疏解度较低 其修正系数c1 取0 85 浆液2为短纤维纸 浆 而且稻草浆里杂细胞及木质素含量高 增加浆液的粘滞性 其空隙率修正系数 c2 取0 73 则有 1 c1 01 0 85 0 794 0 675 2 c2 02 0 73 0 834 0 609 据式 4 得型坯的比阻 1 5a12 1 1 2 13 5 5 07 104 2 1 0 675 2 0 6753 4 43 109 2 5a22 1 2 2 23 5 8 25 104 2 1 0 609 2 0 6093 2 303 1010 9 由浆液中纸浆浓度的质量分率为1 0 密度为1 5 103 kg m3 得其体积分率为 0 0067 设每平方米过滤面上获得的滤液量为qm3 时 吸滤的型坯厚度为L 则q与L 的关系可通过对型坯 滤液及浆液中的水分作物料衡算求得 因吸滤时水的密 度没有变化 故 滤液体积 型坯中水的体积 浆液中水的体积 即 q 1 0 L q L 1 1 0 0067 解得q 0 9933 L 0 0067 则 对浆料1 q1 47 51 L1 对浆料2 q2 57 36 L2 则型坯体积与相应的滤液体积之比 n1 L1 q1 1 47 51 0 0210 n2 L2 q2 1 57 36 0 0174 则两种浆料的过滤常数K分别为 K1 2 P1 s 1n1 2 P1 s 2 0 10 3 4 43 109 0 021 1 075 10 5 P1 s K2 2 P1 s 2n2 2 P1 s 2 0 10 3 2 303 1010 0 0174 2 496 10 6 P1 s 考虑到模具与滤网的过滤阻力与型坯相比较小 即q qe 将所求的q k 值 代入式 17 则可得在一定的真空度下 型坯厚度为 L时所需吸滤时间t的表达式 式中 L 吸滤后所获得的型坯厚度m P 吸滤压差Pa 一般对于纸浆模塑产品所用的纸浆原料 其压缩系数s 1 根据对所用纸浆 物料进行的实验计算 两种物料型坯的压缩系数s 值近似取0 5 在实验中 控制 改变系统的吸滤真空度 即改变吸滤压力差 P 对同一种物料 分别在不同吸 滤压差下获得相同的纸坯厚度L 并测出所需的吸滤时间 对于实验中的某一固 定的L值 再用式 20 和式 21 分别求出对应不同 P 时所需的过滤时间t 并列 于表1 2从表中数据可看出 用以上吸滤模型得出的t 与实验中得出的数据基 本相符 但当真空度 P 较小时两者误差较大 这是由于当 P 过小时 吸滤 的推动力过小 滤液的流动处于停滞 而且由于真空度测量点到吸滤模具处的 10 吸滤管路存在流阻 使得实际 P 小于测量值 而当吸滤压差 P较大时 管路 的压差损失可忽略 根据吸滤模型可以方便地计算出在不同吸滤压差下 获得 不同厚度型坯所需要的吸滤时间 即吸滤速率 4 2计算结果分析 从实验和理论计算中可以得出 当L一定时 t与 P 成反比 提高吸滤真空度 即增大 P 可缩短所需的过滤时间 但随着 P逐渐增大 过滤时间的减小趋势 越趋缓慢 当 P增加到一定程度时 再增大 P t也不会减少很多 呈饱和状态 即提高 P对提高吸滤速率已作用不大 从经济节能出发 要提高吸滤效率 不必 要过分提高真空度 P 从实验和计算结果看 对于一定值的型坯含水率 P达到 0 06 0 07 MPa 时为最佳 从生产成本上看 在